基于能量及損傷的主余震地震動對超限高層結構抗震性能影響研究*（建筑）
基于能量及損傷的主余震地震動對超限高層結構抗震性能影響研究*（建筑）
李 錢1， 吳 軼1， Vincent Lee2， 張春梅1， 陳 麟1， 王宏偉1
(1廣州大學土木工程學院，廣州510006；2 Astani Civil&Environmental Engineering of University of Southern California, Los Angeles 90089)
[摘要] 以第一周期為8. 57s的某超限高層框架-核心筒建筑結構為研究對象，選取7條實際長周期主余震序列型地震動，并與單主震地震動一起作為輸入樣本，通過有限元軟件PERFORM-3D對結構進行非線性動力時程分析；著重從結構整體、樓層滯回耗能情況及構件材料損傷等反應量角度來研究主余震地震動對超限高層建筑結構抗震性能的影響。研究結果表明，相對單主震地震動，結構在主余震地震動作用下整體滯回耗能增幅最大達到31. 34%，樓層滯回耗能增幅最大可達到45. 71%；同時余震地震動作用會使結構中構件損傷逐步累積過渡，導致部分構件轉變?yōu)閲乐負p傷狀態(tài)。因此，對于超限高層建筑結構，僅根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范或超限高層建筑專項審查研究超限高層在單次主震地震動作用下的抗震能力并不能很好地評估結構的抗震性能，建議對超限高層建筑結構進行非線性動力時程分析時補充余震地震動作用的影響，從而全面、安全可靠地評估超限高層建筑結構的抗震性能。
[關鍵詞] 主余震地震動；超限高層；框架-核心筒結構；非線性動力時程分析；滯回耗能；材料損傷 中圖分類號：TU973.2 文章編號：1002-848X(2016)09-0042-06
0 引言
大量的地震資料表明，在大多數(shù)情況下，地震發(fā)生后往往伴隨著大量的余震地震動發(fā)生。而余震地震動的發(fā)生會導致結構產生累積損傷，進一步加重結構的破壞，甚至倒塌。在歷次地震中，由于余震地震動作用而導致結構進一步損傷甚至倒塌破壞的現(xiàn)象屢見不鮮。例如，1952年美國加州南部發(fā)生地震，5.8級的強余震地震動使貝克斯菲爾德城發(fā)生 毀滅性的破壞；2008年汶川大地震后的強余震地震動造成了大量公路橋梁破壞、倒塌；2011年2月22日新西蘭發(fā)生的6.3級余震地震動造成了大量建筑物坍塌，至少103人死亡、228人失蹤；由此可見，部分余震地震動對結構的影響十分明顯，會使結構產生過大的破壞，有時甚至對結構的倒塌有決定性作用。
目前為止，國內外有部分學者對主余震地震動作用下建筑結構的破壞進行了研究，歐進萍和吳波通過構造人工地震動序列，分別對一座二層和八層鋼筋混凝土結構進行彈塑性分析，初步定量揭示了強余震地震動作用對結構反應與損傷的影響。趙金寶對不同高度的框架結構在不同組合的主余震地震動作用下的地震響應規(guī)律進行對比分析，根據(jù)Park -Ang損傷模型對結構模型的損傷狀況進行研究。溫衛(wèi)平提出計算主余震地震動作用下累積損傷效應的損傷指數(shù)的方法，研究了主余震地震動作用下結構的損傷譜特性。RUIZ-GARCIA J通過對3個鋼框架結構在實際序列和構造序列地震動作用下的地震響應的研究比較，發(fā)現(xiàn)結構在實際序列地震動作用下的側移并沒有明顯增大，而高估了構造序列地震動作用下結構的地震響應情況。綜上所述可知，不同學者從頂層位移、加速度、殘余變形、最大層間位移角、剛度變化以及損傷指標等結構反應量角度對不同結構類型在主余震系列地震動作用下的結構反應進行了研究，但研究對象主要為低、多層建筑結構或構件，針對主余震地震動作用對超限高層建筑結構抗震性能影響的分析尚無成果。
“9. 11”事件中雙子塔的倒塌導致世貿中心2 603人死亡，同時世貿中心附近5幢建筑物也受震而坍塌損毀，造成了數(shù)千億美元的直接和間接經濟損失，由此可見超限高層建筑物的破壞損毀不僅會導致重大的人員傷亡和經濟損失，而且還會對周邊環(huán)境產生不利影響。然而到目前為止，我國現(xiàn)有的抗震設計規(guī)范、超限高層建筑專項審查乃至世界絕大多數(shù)抗震規(guī)范主要考慮單次主震地震動的作用，確保超限高層建筑結構能夠“大震不倒”，但卻忽略了余震地震動對超高層建筑結構的不利作用，因此對超高層建筑結構在主余震地震動作用下的抗震性能進行研究顯得尤為必要。本文以某超限高層框架一核心筒結構為研究對象，對結構在單主震地震動作用及主余震地震動作用下的響應情況進行分析，從結構整體、各樓層塑性滯回耗能及構件材料應變損傷狀態(tài)等反應量來研究主余震地震動作用對結構損傷情況的影響。
1 工程概況
分析模型為某超限高層框架-核心筒結構(圖1)，該結構建筑高度309m，超過《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》( JGJ 3-2010)中B級框架-核心筒高層建筑的最大適用高度，結構地面以上72層，結構首層高6m，2～4層層高為5m，其他標準層層高均為4. 5m，建筑平面尺寸為48. 1m×58. 0m，高寬比為7。結構標準層平面布置圖如圖2所示。結構樓板厚度為150mm，樓板混凝土強度等級采用C30,受力鋼筋采用HRB400，構造鋼筋采用HRB335；核
心筒混凝土強度等級采用C70~C50，核心筒厚度為1100~400mm3外圍鋼框架采用鋼管混凝土柱，鋼管直徑為1500~ 700mm；核心筒與外圍鋼管混凝土通過工字鋼梁連接，工字鋼梁截面尺寸為H800×500 x30 x 30;鋼管和型鋼采用Q345級鋼材。結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級；抗震設防烈度為7度0. 05g，設計地震分組為第一組，抗震設防分類為乙類。
2 數(shù)值分析模型的建立
本文采用PERFORM-3D軟件建立結構有限元模型，進行結構非線性動力時程分析。結構模型中的普通約束混凝土本構采用Mander模型；鋼管混凝土柱核心混凝土的應力-應變關系主要參考“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”中提出的約束混凝土應力-應變關系，采用三折線模型來模擬。受力鋼筋采用非屈曲鋼材本構關系，考慮鋼筋硬化階段，不考慮強度損失。結構梁、柱構件采用纖維模型來模擬，通過材料的本構關系自動確定截面的塑性特性；剪力墻構件
采用宏觀分層單元來模擬，彎曲和軸力特性通過定義纖維截面來模擬，剪切特性通過定義彈性剪切材料的剪切模量來模擬，剪力墻與框架梁之間通過剛臂連接；對于跨高比大于2.5的連梁構件，采用桿系單元進行模擬，反之則采用通用墻單元來模擬。阻尼采用瑞利阻尼來等效模擬，阻尼比取4%。
3 地震動的選取
模型結構第一自振周期為7. 35s，而現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）給出的地震影響系數(shù)曲線中長周期部分不超過6s，并且按加速度反應譜計算長周期結構的地震作用明顯偏小，可能致使計算結果不安全。選取7條實際長周期主余震地震動，地震動參數(shù)如表1所示。
根據(jù)7條主余震地震動的傅里葉譜可知，其地震動頻率分布在0.1~ 2Hz，較接近結構第一自振周期，作為示例，圖3給出了CHY024主余震地震動的傅里葉譜。為了研究主余震地震動對結構損傷情況的影響，本文針對兩種情況（單主震地震動作用及主震地震動+余震地震動作用）對結構進行動力時程分析，并進行相互對比分析。地震動輸入樣本采用重要持時的方法，選取Arias強度分別占95%和5%的對應時刻之間的時間，客觀地反映了地震動的強震時間，以保證分析結果的準確性。將所選余震地震動附加在主震地震動之后，并在主余震地震動之間加60s的時間間隔（以確保結構在主震地震動作用之后結束自由振動），組合主余震序列型地震動；將主余震序列型地震動與單主震地震動作為輸入樣本對結構進行非線性動力時程分析。作為示例，圖4給出CHY024主余震地震動加速度時程曲線。
4 數(shù)值分析模型的驗證
為了驗證PERFORM-3D模型的合理可靠性，分別利用PERFORM-3D和ABAUQS軟件對結構進行對比驗證，提取各個分析軟件模型計算得到的結構前5階周期如表2所示。
由表2可知，前5階振型對應的周期中，2種軟件計算的第1階振型對應的周期相差最小，僅為0. 46%，而第3階振型對應的周期相差最大，可達到4. 89%；在質量對比中，2種軟件計算得到的結構質量相差為5. 35%。為確保所使用的結構模型在非線性狀態(tài)下仍然合理可靠，選取CHY101主震地震動作用對PERFORM-3D模型和ABAQUS模型進行非線性動力時程分析對比。圖5為PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震動作用下結構頂點位移時程對比情況，圖6為PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在地震動作用下結構剪力墻混凝土受壓損傷情況。
從圖5可知，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震動作用下的結構整體運動變形形態(tài)非常接近，結構頂點位移曲線形狀十分相似，結構頂點位移峰值相差僅2. 0%。從圖6可知，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震動作用下的破壞機制相同：剪力墻混凝土受壓損傷均主要集中在結構底層及中部，損傷程度均達到嚴重破壞狀態(tài)。因此說明，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型的結構非線性性能相近，PERFORM-3D模型彈塑性參數(shù)設置合理。
5 結構能量耗散分析
結構在地震作用下主要通過塑性變形來耗散地震能量，塑性變形情況可通過結構的塑性滯回耗能情況來體現(xiàn)，而結構塑性滯回耗能的大小與結構的損傷程度息息相關，因此對比主余震地震動與單主震地震動作用下結構的塑性滯回耗能，能夠了解主余震地震動對結構損傷情況的影響。
5.1結構整體能量耗散分析
表3給出了結構在單主震和主余震地震動作用下的結構整體塑性滯回耗能對比情況。由表可知，7條主余震地震動作用下結構的整體塑性滯回耗能均大于單主震地震動作用下的情況：在CHY086地震動作用下，結構在主余震地震動作用下的整體塑性滯回耗能相對單主震地震動作用增幅最小，僅為8.10%；而在CHY036地震動作用下，結構在主余震地震動作用下的整體塑性滯回耗能相對單主震地震動作用增幅最大，為31. 34%。
5.2結構樓層能量耗散分析
圖7為結構在CHY024，CHY036單主震和主余震地震動作用下的樓層塑性滯回耗能分布情況（因CHY024，CHY029，CHY086，TCU078地震動作用下結構樓層塑性滯回耗能分布情況相似，而CHY036，CHY074，CHY101地震動作用下結構樓層塑性滯回耗能分布情況也相似，因此本文只給出CHY024，CHY036地震動作用下結構樓層塑性滯回耗能分布情況）。由樓層塑性滯回耗能分布情況可知，在CHY024地震動作用下，結構樓層塑性滯回耗能主要集中在結構底部，主余震地震動作用下樓層塑性滯回耗能相對單主震地震動增幅為13. 78%；在CHY036地震動作用下，結構塑性滯回耗能主要集中在結構底部及結構中部（37層、47層附近），主余震地震動作用下上述3個位置處的樓層塑性滯回耗能相對單主震地震動分別增大了44. 55%，42. 78%．45. 71%。
由結構整體塑性滯回耗能及樓層塑性滯回耗能分布情況可知，部分主余震地震動作用下，結構進入塑性的程度明顯高于單主震地震動作用下的結構塑性發(fā)展程度。因此忽略余震地震動作用的影響，可能會過低估計超限高層結構在震后的損傷或破壞情況，不能實現(xiàn)結構“大震不倒”的性能目標。
6 結構構件材料損傷分析
材料損傷應從結構的損傷本質人手來對結構損傷進行評估，在材料層面上反映構件的損傷情況，是一種精細化的評價方法。在本文
限于篇幅，依據(jù)圖7中2條地震動（主余震及單主震）作用下的樓層塑性滯回耗能分布情況，選取其中樓層塑性滯回耗能增幅程度最大的CHY036地震動來分析結構構件材料損傷情況。圖8，9分別給出不同地震動作用下剪力墻混凝土受壓、鋼筋受拉損傷圖。由圖可見，在CHY036單主震地震動作用下結構部分剪力墻混凝土出現(xiàn)中度損傷，損傷范圍分布在結構底部（1，2層）及中部附近（37，47層附近），同時結構底部（1，2層）及中部附近（37層附近）出現(xiàn)小部分剪力墻鋼筋受拉，且達到中度破壞；而在主余震地震動作用下，結構剪力墻混凝土受壓、鋼筋受拉損傷程度及損傷范圍均較單主震地震動作用有不同程度的增強：結構中部附近（37，47層附近）部分剪力墻由輕微損傷轉變?yōu)橹卸葥p傷，中度損傷破壞的剪力墻數(shù)量增多，結構底部（1，2層）部分剪力墻混凝土最大壓應變達到極限壓應變，出現(xiàn)了嚴重損傷，同時結構底部附近剪力墻鋼筋受拉，也達到嚴重損傷。由此可知，在主余震序列型地震動下，主震地震動作用已經使得結構產生較大的損傷，而余震地震動作用會增大結構損傷程度，使得結構無法滿足設計要求，因此在對超限高層建筑進行非線性時程分析時，只考慮主震地震動作用會過高估計超限高層建筑結構在地震作用下的抗震能力，使結構不能實現(xiàn)“大震不倒”的性能目標。
7 結論
(1)余震地震動作用會加大結構的整體塑性滯回耗能及樓層塑性滯回耗能。在主余震地震動作用下，結構的整體塑性滯回耗能相對單主震地震動作用最大增加31. 34%；結構的樓層塑性滯回耗能相對單主震地震動作用最大增加45. 71%。結構塑性滯回耗能的大小與結構的損傷程度息息相關，故主余震地震動能夠加大結構整體以及樓層的塑性滯回耗能，使得結構在單主震地震動作用下的塑性損傷程度進一步加深。
(2)在主震地震動作用下，超限高層建筑結構已經產生較大的損傷破壞，而余震地震動作用會增大結構的損傷，使結構中構件損傷逐步累積過渡，部分構件轉變到嚴重損傷狀態(tài)，使得結構無法滿足設計要求，從而增大結構倒塌的危險性。
(3)余震地震動作用對超限高層建筑結構破壞程度的影響十分明顯，有時甚至是導致結構倒塌的決定性因素，進而增大了地震災害所導致的經濟損失，甚至威脅到震后救援人員和震害調查工作人員的生命安全。鑒于現(xiàn)行的抗震規(guī)范或超限高層建筑審查忽略余震地震動對超高層建筑結構的不利作用，建議對超限高層建筑結構進行非線性時程分析時以補充余震地震動作用的影響，合理、安全地評估超限高層建筑結構的抗震性能，以達到結構預期的性能。
